三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

曹利群，顏少明，李鳴皋，高 原，石 芊

人體各個器官的生理解剖和病理變化都呈現(xiàn)為三維立體形態(tài)，而醫(yī)學(xué)教學(xué)圖像、診斷用醫(yī)學(xué)影像和各種內(nèi)鏡手術(shù)影像大都是二維平面圖像，這種立體存在的平面化顯示限制了醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的效果、診斷影像的解讀準(zhǔn)確性和手術(shù)操作的效率。作為21世紀(jì)發(fā)展最迅速的前沿科技，3D技術(shù)逐漸實現(xiàn)了高清晰度、高亮度、低串?dāng)_的三維影像顯示，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用隨之越來越廣泛深入[1-2]，醫(yī)學(xué)的發(fā)展為三維圖形影像顯示技術(shù)的革新和應(yīng)用提供了強大的需求牽引，三維圖形影像顯示技術(shù)的進(jìn)步也為醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、診斷和治療提供更先進(jìn)的技術(shù)支持。作者對國內(nèi)外三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用作一綜述。

1 三維圖形影像顯示技術(shù)為雙眼視覺功能檢查和訓(xùn)練提供了新方法

只有雙眼視覺功能正常者才能體驗到現(xiàn)代三維顯示技術(shù)帶來的立體空間感。立體視覺檢查是雙眼視功能評價體系一項不可或缺的重要檢查，可以篩查出三維顯示技術(shù)的適用人群。目前國內(nèi)外主流立體視覺檢查方法均以圖冊為載體，互補色或偏振光眼鏡分離雙眼圖像獲得立體感[3]，這些輔助眼鏡降低了檢查圖的亮度和清晰度，對檢查結(jié)果產(chǎn)生干擾。2016年，顏少明[4]應(yīng)用三維光柵顯示技術(shù)配合隨機(jī)點立體視覺檢查圖的優(yōu)化設(shè)計，研制出版了可以裸眼檢查的《立體視覺檢查圖(第3版)》，提高了檢查的環(huán)境適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。采用現(xiàn)代立體顯示器配合計算機(jī)檢查立體視覺，可以靈活設(shè)置雙眼視差檢查級別、隨機(jī)變化檢查圖案。近2年，中國人民解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心與南京大學(xué)合作，應(yīng)用裸眼立體視顯示技術(shù)開發(fā)了裸眼多距離立體視覺檢查系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了檢查的擬真實感、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。

斜視弱視是嚴(yán)重危害兒童身心健康的常見病、多發(fā)病，在學(xué)齡前通過治療獲得立體視覺功能是能否治愈的一個重要前提，雙眼視知覺訓(xùn)練是其中一個重要的治療手段。但傳統(tǒng)訓(xùn)練方法簡單枯燥、載體陳舊、療程長、療效差。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(virtual reality，VR)[5]和立體顯示系統(tǒng)環(huán)境下[6]設(shè)計運行的雙眼視覺訓(xùn)練軟件，以三維動畫游戲的形式賦予了訓(xùn)練更多靈活性和趣味性，顯著增加了治療依從性和訓(xùn)練效率。

2 三維圖形影像顯示技術(shù)催生出沉浸式的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)新工具

將三維圖形影像顯示技術(shù)融入醫(yī)學(xué)教學(xué)，可以幫助醫(yī)學(xué)生解讀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像，提高學(xué)習(xí)效率[7]。裴澄等[8]采用偏振光三維手術(shù)影像系統(tǒng)輔助白內(nèi)障手術(shù)教學(xué)。2016年，上海瑞金醫(yī)院實施了國內(nèi)首例VR手術(shù)直播，為參與者提供了身臨其境的手術(shù)體驗，還能為醫(yī)學(xué)生和低年資醫(yī)生提供三維沉浸式醫(yī)學(xué)培訓(xùn)[9]。既往外科醫(yī)生通過解剖訓(xùn)練和動物實驗培養(yǎng)手術(shù)技能，而通過三維顯示感知術(shù)區(qū)空間結(jié)構(gòu)，借由VR系統(tǒng)模擬的手術(shù)情境配合導(dǎo)師實時反饋指導(dǎo)，為醫(yī)學(xué)生提供沉浸式手術(shù)培訓(xùn)，指導(dǎo)他們掌握三維人體解剖特點、熟悉手術(shù)過程、學(xué)習(xí)意外情況應(yīng)對措施，將成為初學(xué)者盡快掌握手術(shù)技巧的一條新途徑。

3 三維圖形影像顯示技術(shù)進(jìn)一步提高了醫(yī)學(xué)診斷的準(zhǔn)確性和效率

在CT、核磁共振和超聲等醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域中，為了更準(zhǔn)確判斷病變的位置和厚度需要增加拍攝層次對二維圖像進(jìn)行三維重建，三維立體顯示不需要增加放射劑量就能更直觀表達(dá)各部位的解剖特點和層次結(jié)構(gòu)，提高診斷的效率和正確率。目前這一領(lǐng)域內(nèi)的探索主要集中于眼底照相、乳腺X線檢查和血管成像。

3.1 眼底照相 眼底結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，三維顯示立體眼底照片可以更直觀顯示視網(wǎng)膜的增厚和脫離程度與范圍，更易于辨別眼底病變的層次，有助于糖尿病視網(wǎng)膜病變等眼底病變的精確診斷[10]；還有助于更準(zhǔn)確界定評估視杯盤沿、視盤內(nèi)壁傾斜度以及視杯深度，輔助青光眼診斷[11]。2010年出版的《立體眼底病圖譜》[12]提供了大量立體彩色眼底照片和眼底造影圖片，在立體鏡下展示三維生動的眼底萬象，充分體現(xiàn)出立體眼底照相對眼底病變診斷的重要性。

3.2 乳腺X線檢查 有研究顯示乳腺中微鈣化灶的層次分布與惡性腫瘤的發(fā)生機(jī)率相關(guān)，但常規(guī)X線影像難以體現(xiàn)病灶的三維層次，經(jīng)由乳腺立體X線攝影圖片則可以迅速判斷乳腺中不同結(jié)構(gòu)和病變的空間定位[13]。三維圖形影像顯示技術(shù)在微鈣化灶檢出方面的優(yōu)勢已經(jīng)得到乳腺活檢結(jié)果的證實，這種新技術(shù)還有助于識別乳腺腫瘤的整體三維結(jié)構(gòu)，提高乳腺病變檢出的敏感性和特異性[14]。

3.3 血管成像 血管成像顯示的是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多層分支、內(nèi)部互相連接的血管網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)傳統(tǒng)二維成像技術(shù)難以辨別。旋轉(zhuǎn)成像技術(shù)可以顯示血管間復(fù)雜的連接，立體成像則以更少的視角達(dá)到同樣的效果[15-16]。三維血管成像有助于在血管內(nèi)支架植入術(shù)前選擇恰當(dāng)?shù)闹Ъ苄吞朳17]，在植入后監(jiān)測支架與血管間的空間關(guān)系[18]、盡早發(fā)現(xiàn)支架的扭曲等異常改變和及時給予介入治療。

4 三維圖形影像顯示技術(shù)為手術(shù)規(guī)劃及微創(chuàng)、機(jī)器人和遠(yuǎn)程手術(shù)打開了更加開闊真實的視野

4.1 幫助術(shù)者規(guī)劃手術(shù) 術(shù)者在術(shù)前常要針對患者的解剖和病變特點制定個體化手術(shù)方案。通過三維圖形影像顯示技術(shù)結(jié)合VR系統(tǒng)不僅能夠讓術(shù)者提前反復(fù)體驗術(shù)中所見[19]，還能模擬術(shù)中可能遇到的意外情況[20]，鍛煉應(yīng)變能力，為優(yōu)化術(shù)前規(guī)劃、提高手術(shù)成功率提供理想的平臺。

4.2 縮短微創(chuàng)手術(shù)學(xué)習(xí)曲線 自20世紀(jì)80年代開始，微創(chuàng)手術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)開放式外科手術(shù)成為第二代外科手術(shù)。但此類手術(shù)要根據(jù)顯示屏上的內(nèi)鏡所見完成操作，術(shù)者所見圖像與實際存在大小差異而且缺乏深度線索。用三維圖形影像顯示技術(shù)展示雙光路內(nèi)鏡拍攝的手術(shù)場景協(xié)助醫(yī)生準(zhǔn)確判斷器械與組織器官間的距離，可以提高操作準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)時間[21]。有研究已經(jīng)證實這種技術(shù)讓學(xué)習(xí)腹腔鏡手術(shù)的醫(yī)生更好更快掌握手術(shù)技巧，而且使得微創(chuàng)手術(shù)中較復(fù)雜的步驟更易于完成[22]。

4.3 為機(jī)器人手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)提供更加真實的視野 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的問世推動微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展為精確微創(chuàng)手術(shù)，它所提供的全景三維、放大10～15倍的高清立體圖像幫助術(shù)者更加清晰準(zhǔn)確地完成組織定位和器械操作，為手術(shù)的精確性奠定了基礎(chǔ)[23]。眼內(nèi)手術(shù)機(jī)器人IRISS也采用了3D顯示[24]。機(jī)器人手術(shù)促進(jìn)了遠(yuǎn)程手術(shù)的發(fā)展，借助高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程信息控制，外科醫(yī)生可以操控手術(shù)機(jī)器人完成遠(yuǎn)程手術(shù)，在這一過程中三維圖形影像顯示技術(shù)的融入拉近了術(shù)者與患者的空間距離，縮短了手術(shù)時間、降低了操作錯誤概率[25]。

4.4 增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)手術(shù)導(dǎo)航 手術(shù)導(dǎo)航通過提供虛擬影像覆蓋幫助醫(yī)生精確觀察和瞄準(zhǔn)外科手術(shù)部位[26]。將AR技術(shù)引入其中為術(shù)者提供術(shù)區(qū)的深度線索并解決手眼一致性問題[27]。有研究者在超聲引導(dǎo)穿刺手術(shù)中采用頭戴虛擬顯示設(shè)備明顯縮短了手術(shù)時間[28]。還有研究者采用原位透視融合顯示系統(tǒng)讓術(shù)者穿透半透半返鏡觀察疊加到真實場景中的三維醫(yī)學(xué)影像信息，作為實現(xiàn)AR手術(shù)導(dǎo)航的一條新途徑[29]。

5 三維圖形影像顯示技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要克服的幾個問題

三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域推廣還存在一些問題[1]：①引入這項技術(shù)需要開發(fā)相應(yīng)硬件設(shè)備，需要醫(yī)生學(xué)習(xí)和適應(yīng)新的顯示模式，掌握新的操作技巧。②為了強調(diào)圖像的深度線索需要加工修飾原始雙眼圖像，例如把遮擋目標(biāo)器官的組織透明化，這樣會損失原始圖像的局部細(xì)節(jié)，影響診斷的全面性。3D眼鏡的佩戴還會造成手術(shù)圖像亮度的衰減，并給醫(yī)生帶來不適感[30]，因此有必要開發(fā)更具潛力的裸眼三維圖形影像顯示技術(shù)。③長時間辨識立體圖像中的細(xì)節(jié)可能誘發(fā)眼痛、頭痛、惡心等不適感。更值得注意的是，觀看立體圖像時觀看距離、圖像采集參數(shù)設(shè)置和顯示器參數(shù)設(shè)置變化都可能影響對深度線索判斷的準(zhǔn)確性。只有認(rèn)真分析上述問題并提出針對性的解決方案，才能進(jìn)一步實現(xiàn)醫(yī)學(xué)與三維圖形影像顯示技術(shù)的互相促進(jìn)和融合發(fā)展。

6 小結(jié)

綜上所述，盡管目前三維圖形影像顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在一些技術(shù)性問題，但其應(yīng)用可以為醫(yī)學(xué)生提供更具沉浸感的培訓(xùn)工具，可以提高影像診斷中對病變形狀和位置判斷的準(zhǔn)確性，還可以進(jìn)一步提高微創(chuàng)手術(shù)操作定位準(zhǔn)確性，具有廣闊的發(fā)展空間。目前已經(jīng)推出VR版的《3D系統(tǒng)解剖學(xué)》和眼視光虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng),三維微創(chuàng)和顯微手術(shù)在臨床上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，三維高清手術(shù)影像資料的積累已經(jīng)日益豐富，三維虛擬手術(shù)訓(xùn)練、術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)成為研究熱點，二維醫(yī)學(xué)向三維醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化已經(jīng)啟動。三維圖形影像顯示技術(shù)的融入和支撐會為醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生打開更生動的三維視界，推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、診斷和治療的方法與技術(shù)革新，顯著提高醫(yī)學(xué)培訓(xùn)與診療水平。